DE20309744U1

DE20309744U1 - Liquid level measurement unit has ultrasonic transducer mounted in air with gating of received echo

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Publication number: DE20309744U1
Application number: DE20309744U
Authority: DE
Original assignee: JAEGER FRANK MICHAEL
Current assignee: JAEGER FRANK MICHAEL
Priority date: 2003-06-25
Filing date: 2003-06-25
Publication date: 2003-12-04
Anticipated expiration: 2013-06-26

Abstract

A liquid level measurement unit has a Rayleigh and transverse wave ultrasonic transducer (1) mounted on a tank wall above the fluid and connected to a control unit (2) in the transducer housing or remote location with gating circuits (6, 7) that set the received (5) echo signal time window.

Description

Die Erfindung betrifft ein Anordnung zur Feststellung einer Flüssigkeitshöhe einem BehälterThe invention relates to an arrangement to determine a liquid level container

Derartige Anordnungen werden zur Behälterüberwachung, zur Prozesskontrolle allgemein in der Industrie benötigtSuch arrangements become Container monitoring, required for process control in general in industry

Bei einem aus der DE 197 14 973 bekannten Verfahren wird mittels eines oberhalb des höchstens zulässigen Füllstandes montierten Ultraschallwandler das Nachschwingen des Ultraschallwandlers nach dem abklingenden Ausgangssignal ausgewertet, um festzustellen ob der Ultraschallwandler von der Flüssigkeit bedeckt ist oder nicht. Die Wirkung dieses Verfahrens beruht darauf, dass das Nachschwingen des Ultraschallwandlers wegen der besseren Ankopplung an die Flüssigkeit wesentlich schneller abklingt, wenn er in eine Flüssigkeit eintaucht, als wenn er in Luft schwingt.With one from the DE 197 14 973 In known processes, the ultrasound transducer after the decaying output signal is evaluated by means of an ultrasound transducer mounted above the maximum permissible fill level, in order to determine whether the ultrasound transducer is covered by the liquid or not. The effect of this method is based on the fact that the reverberation of the ultrasound transducer decays much faster when it is immersed in a liquid than when it vibrates in air because of the better coupling to the liquid.

Das beschriebene Verfahren erfordert einen Ultraschallwandler zur Füllstandsmessung für nach dem Laufzeitverfahren arbeitende Füllstandsmesseinrichtungen für Flüssigkeiten. Die dazu benutzten Wandler besitzen auf Grund ihrer für Luft geeigneten Arbeitsfrequenz relativ große Abmessungen und sind für kleine Behälter und Rohre nicht anwendbarThe procedure described requires an ultrasonic transducer for level measurement for after Level measuring devices operating at runtime for liquids. The converters used for this have a working frequency suitable for air relatively large Dimensions and are for small containers and pipes not applicable

Weiterhin sind für den Transport der Ultraschallwellen Gasmoleküle notwendig, die einen absoluten Druck von etwa 0,5 bar erfordern. Nach oben stellen meist 3 bar bis 4 bar die Einsatzgrenze dar.Furthermore are for the transportation of ultrasonic waves gas molecules necessary, which require an absolute pressure of about 0.5 bar. The upper limit is usually 3 bar to 4 bar.

Ein großer Nachteil ist der direkte Kontakt mit dem im Behälter befindlichen Medium. Für Anwendungen mit hohen Reinheitsanforderungen, wie zum Beispiel für die Herstellung von Waver in der Halbleiterindustrie, ist dieses Verfahren nicht geeignet.A big disadvantage is the direct one Contact with the one in the container located medium. For Applications with high purity requirements, such as for manufacturing from Waver in the semiconductor industry, this process is not suitable.

Der Anwendung in kleinen Behältern steht das eigene Nachschwingen des Wandlers (auch Totzeit oder auch Blockdistanz genannt) entgegen, da die Laufzeit bei kleinen Behältern und Rohren kleiner als die Dauer des Nachschwingens ist.The use in small containers stands that own swinging of the converter (also dead time or block distance called) because the running time for small containers and Pipes is less than the duration of the ringing.

In DE 195 38 680 wird eine Anordnung beschrieben bei der außen am Behälter angebrachte Ultraschallwandler mit einer Sendefrequenz angeregt werden, die gleich der Dickenresonanzfrequenz der Behälterwand ist. Die beschriebene Anordnung erfordert einen frequenzvariablen piezoelektrischen Schwinger zur Anpassung an die Wanddicke und an das Wandmaterial.In DE 195 38 680 describes an arrangement in which ultrasonic transducers attached to the outside of the container are excited with a transmission frequency that is equal to the thickness resonance frequency of the container wall. The arrangement described requires a frequency-variable piezoelectric oscillator to adapt to the wall thickness and to the wall material.

Der Effekt des Dämpfens der Nachschwingung der Behälterwand ist nicht sehr groß und erfordert eine gründliche Anpassung des Wandlers an das Messobjekt.The effect of damping the ringing of the container wall is not very big and requires thorough Adaptation of the transducer to the measurement object.

DE 197 18 965 beschreibt ein Verfahren zur Überwachung eines Füllgutes in einem Behälter mit Hilfe von zwei Ultraschallwandlern, die auf der Höhe des zu überwachenden Füllstandes derart am Behälter befestigt sind, dass zwischen ihnen ein Zwischenraum besteht, in den das Füllgut eintritt. Der eine Ultraschallwandler ist ein Sendewandler , während der zweite Ultraschallwandler ein Empfangswandler ist. Der entscheidende Nachteil einer Anordnung nach diesem Verfahren beruht darauf, das die Wandler als Körper in den Behälter oder die Rohrleitung hineinragen müssen und dabei als Störkörper für Strömungen und Reinigungsprozesse wirken. DE 197 18 965 describes a method for monitoring a filling material in a container with the aid of two ultrasonic transducers, which are attached to the container at the level to be monitored in such a way that there is a space between them into which the filling material enters. One ultrasound transducer is a transmitter transducer, while the second ultrasound transducer is a receiver transducer. The decisive disadvantage of an arrangement according to this method is that the transducers have to protrude as bodies into the container or the pipeline and thereby act as disruptive bodies for flows and cleaning processes.

In der DE 100 14 724 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, bei denen Schwingelemente in das Medium eintauchen und neben der Anwesenheit einer Flüssigkeit auch deren Dichte durch die Frequenzänderung feststellen. Diese Schrift soll stellvertretend für alle Verfahren und Vorrichtungen mit Schwingelementen, unabhängig von deren Ausgestaltung, stehen. Für alle Vorrichtungen, die in das Medium hineinragende Schwingelemente besitzen, gelten die schon oben genannten Nachteile.In the DE 100 14 724 describes a method and a device in which vibrating elements are immersed in the medium and, in addition to the presence of a liquid, also determine its density through the change in frequency. This document is intended to represent all methods and devices with vibrating elements, regardless of their design. The above-mentioned disadvantages apply to all devices which have oscillating elements protruding into the medium.

DE 196 43 956 beschreibt eine Anordnung zur Kontrolle des Füllstandes in mit Flüssigkeit gefüllten Behältern mit Ultraschall, wo ein als Sender arbeitender Ultraschallwandler und ein als Empfänger arbeitender Ultraschallwandler so am Behälter angeordnet sind, dass ihre akustischen Achsen nicht senkrecht zur Behälterwand stehen. Diese Anordnung soll den störenden Einfluss der Reflexionen in der Rohrwand mindern. Damit die Anordnung funktioniert, ist jedoch ein schalltransparentes Medium erforderlich und ist somit bei Suspensionen und gasbeladenen Flüssigkeiten nicht anwendbar. Bei Anwendungen, die Kompaktsensoren oder leicht von außen zu reinigende Systeme erfordern, ist diese Anordnung nicht praktikabel. Alle Verfahren und Vorrichtungen mit zwei Systemen benötigen erhöhten Fertigungs- und Inbetriebnahmeaufwand. DE 196 43 956 describes an arrangement for checking the level in liquid-filled containers with ultrasound, where an ultrasonic transducer working as a transmitter and an ultrasonic transducer working as a receiver are arranged on the container so that their acoustic axes are not perpendicular to the container wall. This arrangement is intended to reduce the disturbing influence of the reflections in the pipe wall. For the arrangement to work, however, a sound-transparent medium is required and is therefore not applicable to suspensions and gas-laden liquids. In applications that require compact sensors or systems that are easy to clean from the outside, this arrangement is not practical. All processes and devices with two systems require increased production and commissioning effort.

Ein weiterer wichtige Nachteil aller Verfahren, die nach dem Sende-Empfangs-Prinzip arbeiten, ist die große Abhängigkeit von den Transmissionseigenschaften der Flüssigkeit. Als Beispiel dazu sollen die DE 19900832 und DE 3017 465 dienen.Another important disadvantage of all methods that work according to the send-receive principle is the great dependence on the transmission properties of the liquid. As an example, the DE 19900832 and DE 3017 465 serve.

In allen technischen Prozessen, wo Flüssigkeiten turbulent strömen oder mit Gas beladen sind, führen Phasengrenzen zu großen Störungen der Transmission.In all technical processes, where liquids flow turbulently or are loaded with gas Phase boundaries too large disorders the transmission.

Selbst bei einfachen Einfüllvorgängen können Beruhigungszeiten von mehreren Minuten auftreten.Even with simple filling processes, calming times can occur of several minutes occur.

Die Brauchbarkeit solcher Verfahren beschränkt sich daher meist auf die Kontrolle von Vorratsbehältern oder auf die Messung von Flüssigkeitshöhen entgaster Flüssigkeiten.The usefulness of such procedures limited therefore mostly focus on the control of storage containers or degassing on the measurement of liquid levels Liquids.

Gerade das technisch wichtige Befüllen der Behälter und das Überwachen dieses Vorganges, erfordert Verfahren mit kurzen Reaktionszeiten.Especially the technically important filling of the containers and monitoring this process requires processes with short reaction times.

Das U. S. Patent 4,316,183 beschreibt einen Niveauschalter für Flüssigkeiten, der im einem röhrenförmigen Gehäuse Ultraschallsignale aussendet und empfängt. Der Ultraschallwandler dieses Niveauschalters detektiert die Ultraschallsignale, die in seinem Sensorgehäuse umlaufen. Dabei werden nach dieser Patentschrift P-Wellen, auch Longitudinalwellen genannt, zur Detektion ausgenutzt.The U.S. patent 4,316,183 describes a level switch for liquids that emits and receives ultrasonic signals in a tubular housing. The ultrasonic transducer of this level switch detects the ultrasonic signals that circulate in its sensor housing. According to this patent specification, P-waves, also called longitudinal waves, are used for detection.

Der Niveauschalter wird dabei im Inneren des Behälters angebracht und soll einen Durchmesser zwischen 2 und 10 Zentimeter besitzen.The level switch is in the Inside of the container attached and should have a diameter between 2 and 10 centimeters have.

Im Inneren des Sensors sind ein Ultraschallsender und ein Ultraschallempfänger so angebracht, dass sie eine Rückkopplungsschaltung bilden, die bei Abwesenheit einer Flüssigkeit schwingt.There is an ultrasonic transmitter inside the sensor and an ultrasound receiver attached so that it has a feedback circuit form that vibrates in the absence of a liquid.

Die Nachteile der Produktberührung und die Notwendigkeit von Öffnungen in der Behälterwand zum Sensoreinbau, treffen für diesen Niveauschalter genauso zu, wie für die schon eingangs beschriebenen vorgeschlagenen Lösungen.The disadvantages of product contact and the need for openings in the container wall for Sensor installation, meet for this level switch as well as for the ones already described proposed solutions.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung der eingangs angegebenen Art, das die Feststellung des Füllstandes ohne Produktberührung und unabhängig von den Ultraschall-Übertragungseigenschaften der Flüssigkeit, auch Transmissionsverhalten benannt, ermöglicht.The object of the invention is to create an arrangement of the type specified at the beginning, which is the finding the level without touching the product and independent of the ultrasound transmission properties the liquid, also called transmission behavior, enables.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein festgelegter oder variabler Sendeimpuls ein piezoelektrisches Element zum Schwingen anregt.According to the invention the task solved by that a fixed or variable transmit pulse is a piezoelectric Stimulates element to vibrate.

In einem elastischen Körper, in unserem Fall ist es die Behälterwand werden sich im Wesentlichen zwei verschiedene Arten von Wellen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten. Von Interesse sind hier die longitudinalen P-Wellen und die transversalen S-Wellen. Weiterhin breiten sich auf der Begrenzungsfläche, der inneren und äußeren Behälterwand, noch Rayleighwellen aus. Wird von einem homogenen Körper ausgegangen, kann von einer konstanten Wellengeschwindigkeit ausgegangen werden. Für Behälterwände wird damit die Frequenzabhängigkeit der Geschwindigkeit, die sogenannte Dispersion, außer acht gelassen.In an elastic body, in in our case it is the container wall are going to be essentially two different types of waves spread at different speeds. Are of interest here the longitudinal P-waves and the transverse S-waves. Farther spread on the boundary surface, the inner and outer container wall, still out Rayleigh waves. Assuming a homogeneous body, a constant wave speed can be assumed. For container walls thus the frequency dependency the speed, the so-called dispersion, disregard calmly.

Die Geschwindigkeit der Rayleighwellen entspricht in etwa der von Transversalwellen. Genau genommen ist die Geschwindigkeit der Rayleighwellen etwas geringer als die der Transversalwellen.The speed of the Rayleigh waves corresponds approximately to that of transverse waves. Strictly speaking the speed of the Rayleigh waves is slightly lower than that of the Transverse waves.

Die Teilchen der Oberfläche führen zweidimensionale Schwingungen auf elliptischen Bahnen um ihre Ruhelage aus, so dass die Rayleighwellenausbreitung aus einer longitudinalen und transversalen Komponente zusammengesetzt ist.The surface particles lead two-dimensional Vibrations on elliptical orbits around their rest position, so that the Rayleigh wave propagation from a longitudinal and transverse Component is composed.

Da nur die oberen Atomschichten beteiligt sind, muss also eine Phasenänderung an der Grenzschicht Fest-Gas zu Fest-Flüssig messtechnisch nachweisbar sein.Since only the upper atomic layers are involved, so there must be a phase change measurable at the solid-gas to solid-liquid interface his.

Es wird eine Anordnung beschrieben, die die eigenen ausgesendeten S-Wellen, auch Transversalwellen genannt und/oder Rayleighwellen, empfängt und deren Bedämpfung, bei Anwesenheit einer Flüssigkeit, auswertet.An arrangement is described which send out their own S waves, also called transverse waves and / or Rayleigh waves, receives and their damping, in the presence of a liquid, evaluates.

Bei den als Behälterwand verwendeten Materialien sind zwei Ausbreitungsgeschwindigkeiten für die P- und S – Wellen zu beachten. Die Longitudinalwellen (P-Wellen) haben eine größere Ausbreitungsgeschwindigkeit als die Transversalwellen (S-Wellen) und Rayleighwellen.For the materials used as the container wall are two speeds of propagation for the P and S waves to consider. The longitudinal waves (P waves) have a higher propagation speed than the transverse waves (S waves) and Rayleigh waves.

Zur Vereinfachung kann für die Geschwindigkeit der Rayleighwelle, die der Transversalwelle genommen werden. Der Unterschied beträgt ca. 10%. Das heißt die Rayleighwelle besitzt die geringste Geschwindigkeit.To simplify the speed the Rayleigh wave, which are taken from the transverse wave. The Difference is about 10%. This means the Rayleigh wave has the lowest speed.

Die Wellen breiten sich in der Behälterwand nach allen Seiten aus. Neben Reflexionen an Schweißnähten, Böden, Rändern oder anderen Einbauten, erfolgen auch Reflexionen zwischen der inneren und äußeren Behälterwand.The waves spread in the container wall all sides. In addition to reflections on welds, floors, edges or other internals, there are also reflections between the inner and outer container walls.

Wenn man die vom piezoelektrischen Element ausgesendeten Ultraschallwellen empfängt, wird man feststellen, dass neben den Wandreflexionen unmittelbar nach dem Sendeimpuls und weiteren, schwer zuordenbaren Echos, noch weitere von der Geometrie des Behälters und seines Wandmaterials abhängige Signale empfangen werden können. Diese Empfangsignale sind in der Regel längere Impulspakete, als die zu erwarteten Reflexionen der gegenüberliegenden Behälterwand beim Vorhandensein schalltransparenter Flüssigkeiten.If you look at the piezoelectric Element received ultrasound waves, you will find that in addition to the wall reflections immediately after the transmit pulse and other, difficult to assign echoes, even more of the geometry of the container and dependent on its wall material Signals can be received. This Receive signals are usually longer pulse packets than that expected reflections of the opposite container wall in the presence of sound-transparent liquids.

Misst man den Umfang des Behälters und errechnet aus der gemessenen Zeit die Geschwindigkeit der empfangenen Ultraschallwelle, wird man feststellen, dass diese Geschwindigkeit in etwa der der transversalen Wellengeschwindigkeit entspricht. Die aus der Messung errechnete Geschwindigkeit ist etwas kleiner, als die für den Wandwerkstoff aus der Tabelle entnommene Geschwindigkeit, was auch mit den Rayleighwellen erklärt werden kann.If you measure the size of the container and calculates the speed of the received from the measured time Ultrasonic wave, you will find that this speed roughly corresponds to the transverse wave velocity. The speed calculated from the measurement is slightly less than the for the wall material speed taken from the table what also explained with the Rayleigh waves can be.

Weiterhin kann man mit Messungen feststellen, dass mit wachsender Wandstärke die Laufzeit bei gleichem Behälterdurchmesser zunimmt. Ebenso wird das Impulspaket länger.You can also use measurements find that with increasing wall thickness the running time at the same Container diameter increases. The pulse package is also longer.

Bei der Vielzahl der komplexen Vorgänge der Reflexionen, kann man es vereinfacht als eine zunehmende Anzahl von Reflexionen und damit mit als einen längeren Weg deuten.With the multitude of complex processes of reflections, it can be simplified as an increasing number of reflections and thus with as a longer one Point the way.

Für die praktische Nutzung sind aber noch weitere Vorgänge von Bedeutung. An jeder Phasengrenzfläche kommt es zu Reflexionen und Transmissionen. Ist der akustische Impedanzsprung an der Phasengrenze groß, wie bei Feststoff Gas, wird relativ viel Ultraschallenergie reflektiert und nur wenig tritt als Ultraschall in den Gasraum.For the practical use are still other processes of Importance. There are reflections at each phase interface and transmissions. Is the acoustic impedance jump at the phase boundary large, as with solid gas, a relatively large amount of ultrasonic energy is reflected and little enters the gas space as ultrasound.

Beim Vorhandensein einer Flüssigkeit hinter der Wand, wird der reflektierte Anteil der Ultraschallenergie wesentlich kleiner.In the presence of a liquid behind the wall, the reflected portion of the ultrasonic energy much smaller.

Dieser Effekt wird in Höhe des piezoelektrischen Elementes erreicht, wobei die Hysterese kleiner als der Durchmesser des piezoelektrischen Elementes ist.This effect is at the level of the piezoelectric Element reached, the hysteresis smaller than the diameter of the piezoelectric element.

Bei einem kreisförmigen Behälterquerschnitt liegt der Zeitbereich für die auszuwertenden Ultraschallwellen in der Behälterwand in den weitaus meisten Fällen vor den reflektierten Echos der gegenüberliegenden Behälterwand bei Schalldurchgang in schalltransparenten Flüssigkeiten.The time range is for a circular container cross-section for the Ultrasonic waves to be evaluated in the container wall in the vast majority make in front of the reflected echoes of the opposite container wall in the case of sound passage in sound-transparent liquids.

Für einen Beobachter der Echos auf einem Schirm eines Oszilloskopes, werden die Rayleighwellen und die transversalen Wellen den Behälter in beiden Richtungen umlaufen und als ein Echo, vor dem erwarteten Echo der Behälterwand, auftauchen. Bei einem zylindrischen Behälter ergibt sich beispielsweise aus der transversalen Wellengeschwindigkeit VT= 3.250 m/s für Stahl und dem Behälterumfang, eine scheinbare Ultraschallgeschwindigkeit von etwa 2.070 m/s.For an observer of the echoes on a screen of an oscilloscope, the Rayleigh waves and the transverse waves become the container orbit in both directions and appear as an echo in front of the expected echo of the container wall. In the case of a cylindrical container, for example, the transverse wave speed VT = 3,250 m / s for steel and the circumference of the container result in an apparent ultrasonic speed of approximately 2,070 m / s.

Setzt man die Rayleighwellengeschwindigkeit aus der Tabelle ein, erhält man mit VR=2.970 m/s eine scheinbare Schallgeschwindigkeit für eine Flüssigkeit von etwa 1.892 m/s. In der Praxis werden meist kleinere scheinbare Ultraschallgeschwindigkeiten ermittelt, da eine zunehmende Wandstärke größere Laufzeiten verursacht.If you set the Rayleigh wave velocity from the table with VR = 2,970 m / s an apparent speed of sound for a liquid of approximately 1,892 m / s. In practice, smaller ones usually appear Ultrasound speeds determined, because an increasing wall thickness longer run times caused.

Versucht man zum Beispiel an Behältern mit einem ungünstigen Verhältnis von Wanddicke zum Gesamtdurchmesser, zum Beispiel ein Wasserrohr von 0,5 oder 1 Zoll, Füllstandmessungen nach diesem Verfahren zu betreiben, wird man feststellen, das der Laufzeitunterschied zwischen den beiden Wellen oder Echos messtechnisch kaum verwertbar ist.For example, if you try on containers with a unfavorable relationship from wall thickness to overall diameter, for example a water pipe from 0.5 or 1 inch, level measurements to operate according to this procedure, you will find that the Measurement time difference between the two waves or echoes is hardly usable.

Für Behälter, deren Wanddicke « Behälterdurchmesser ist, bereitet das Trennen der Signale keine Schwierigkeiten.For Container, whose wall thickness «container diameter separating the signals is no problem.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous configurations and Further developments of the invention are characterized in the subclaims.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:Other features and advantages of Invention result from the following description of an embodiment based on the drawings. The drawings show:

1 das Blockschaltbild einer Ausführungsform der Anordnung gemäß der Erfindung 1 the block diagram of an embodiment of the arrangement according to the invention

2 eine schematische Darstellung der Zeitdiagramme zur Funktionsweise der Anordnung gemäß der Erfindung 2 is a schematic representation of the timing diagrams for the operation of the arrangement according to the invention

3 eine schematische Darstellung des Schnittes der erfindungsgemäßen Anordnung an einer Behälterwand 3 is a schematic representation of the section of the arrangement according to the invention on a container wall

Das in l dargestellte Blockschaltbild einer Ausführungsform der Anordnung gemäß der Erfindung enthält ein piezoelektrisches Element 1, das über den Sende-Empfangs-Umschalter 3 mit dem Sendegenerator 4 und dem Empfangsverstärker 5 verbunden ist. Eine Steuerschaltung 2 steuert den Sendeimpulsgenerator 4 so, dass jeweils für jedes aktive Tor (6 und 7) die dazugehörende Sendeimpulshöhe abgegeben wird. Gleichzeitig wird der Empfangsverstärker 5 auf eine vorbestimmte Verstärkung eingestellt. In den Torschaltungen 6 und 7 wird jeweils geprüft, ob die Laufzeiten T in die Tore 6 oder 7 fallen. Treffen zum Zeitpunkt T₁ Echos vom piezoelektrischen Element in Tor 6 ein, wird zur Steuerschaltung 2 signalisiert, dass keine Flüssigkeit am Wandler 1 ansteht. Für den Fall, dass keine Flüssigkeit vorhanden ist, soll im Tor 7 auch kein Echosignal vorhanden sein. Wird das Tor 7 so eingestellt, dass es zum Zeitpunkt T₂ ein Echo erwartet, kommt es bei Flüssigkeiten mit schlechter Schalltransmission schnell zu Fehlinterpretationen beziehungsweise ein Echo ist nicht feststellbar, weil die Rückwandechos durch Schwebstoffe oder Gasblasen nicht feststellbar sind. Dazu ist jedoch wiederum eine höhere Sendeleistung nicht mehr einstellbar. Die logische Verknüpfung 8 der Ergebnisse der Torschaltungen (6 und 7) liefert das Ausgangssignal für die Feststellung, ob Flüssigkeit vorhanden ist oder nicht. Die notwendigen Eingaben, wie die des Behälterumfanges und der anderen Parameter, erfolgt über die Eingabeeinheit 9.This in l The illustrated block diagram of an embodiment of the arrangement according to the invention contains a piezoelectric element 1 via the send-receive switch 3 with the transmission generator 4 and the receive amplifier 5 connected is. A control circuit 2 controls the transmit pulse generator 4 so that for each active gate ( 6 and 7 ) the corresponding transmit pulse height is given. At the same time, the receive amplifier 5 set to a predetermined gain. In the goal circuits 6 and 7 is checked in each case whether the running times T in the gates 6 or 7 fall. Hit at time T ₁ echoes from the piezoelectric element in gate 6 on becomes the control circuit 2 signals that there is no fluid on the transducer 1 pending. In the event that there is no liquid, it should be in the gate 7 there is also no echo signal. Will the gate 7 Set such that an echo is expected at time T ₂ , liquids with poor sound transmission quickly lead to misinterpretations or an echo cannot be determined because the rear wall echoes cannot be determined by suspended matter or gas bubbles. However, a higher transmission power can no longer be set for this purpose. The logical link 8 of the results of the goals ( 6 and 7 ) provides the output signal for determining whether liquid is present or not. The necessary entries, such as the size of the container and the other parameters, are made via the input unit 9 ,

Das Auftreten der Echos, auch Ereignisse genannt, wird im einfachsten Fall gleich bewertet, bzw. bei pulsierendem oder stochastischem Auftreten geglättet. Das kann in der bekannten Weise über Zeitglieder oder digital erfolgen. Entsprechend der Flüssigkeit und deren Eigenschaften erfolgt die Bewertung vorteilhaft in der Steuerschaltung. Die Funktionen der einzelnen Schaltungsteile können natürlich auch mit einem elektronischen Schaltkreis realisiert werden. Die Sendeimpulse und die Verstärkung können für jedes Tor getrennt variiert werden.The appearance of the echoes, also called events, is evaluated in the simplest case the same, or with pulsating or stochastic occurrence smoothed. That can be done in the known Way over timers or done digitally. According to the liquid and its properties the evaluation is advantageously carried out in the control circuit. The functions of the individual circuit parts can Naturally can also be realized with an electronic circuit. The Transmitting impulses and amplification can be used for Gate can be varied separately.

Die Möglichkeit einer variablen Schwellwertschaltung wird als selbstverständlich betrachtet.The possibility of a variable threshold switching is taken for granted considered.

2 zeigt das Zeitdiagramm eines Füllstandschalters bei unterschiedlichen Befüllungen.. In 2a wird die Arbeitsweise bei einem Behälterfüllstand unter dem Sensorniveau gezeigt. Wird ein Ultraschallsignal vom piezoelektrischen Element ausgesendet, werden Ultraschallwellen als Longitudinalwellen senkrecht durch die Behälterwand in die Flüssigkeit eingekoppelt. Nach dem Sendeimpuls S sind die Mehrfachreflexionen R des Ultraschallsignals in der Behälterwand zu sehen. Zum Zeitpunkt T₁ wird innerhalb eines Zeitbereiches ZB₁, die 1. Rayleigh- und Transversalwelle ET₁ empfangen. In dem Zeitbereich ZB₁ der vom Tor 6 überwacht wird, liegt ET₁ über einen Schwellwert SW. 2 shows the time diagram of a level switch with different fillings .. In 2a the method of operation at a tank level below the sensor level is shown. If an ultrasonic signal is emitted by the piezoelectric element, ultrasonic waves are coupled into the liquid as longitudinal waves perpendicularly through the container wall. After the transmission pulse S, the multiple reflections R of the ultrasound signal can be seen in the container wall. At time T ₁ , the 1st Rayleigh and transverse wave ET _{1 is} received within a time range ZB ₁ . In the time range ZB ₁ from the gate 6 is monitored, ET _{1 is} above a threshold value SW.

Je nach Sendeimpulshöhe S und Verstärkung können weitere mehrfache Umläufe der Rayleigh- und Transversalwellen als ET₂ usw. empfangen werden.Depending on the transmission pulse height S and amplification, further multiple revolutions of the Rayleigh and transverse waves can be received as ET ₂ etc.

In einem zweiten Zeitbereich ZB₂, wo bei Anwesenheit einer Flüssigkeit unter Umständen das Echo der gegenüberliegenden Behälterwand zu sehen wäre, ist kein Signal vorhanden. Liegt der Behälterfüllstand über dem Niveau des Sensors mit dem piezoelektrischem Element, wird das Signal der Rayleigh- und Transversalwelle ET₁ unter einen Schwellwert SW sinken oder ganz verschwinden (2b). Ist die Flüssigkeit ein schalltransparentes Medium, wird sofort das Echo der gegenüberliegenden Behälterwand EF₁ im Zeitbereich ZB₂ erscheinen. Auch hier können weitere Mehrfachechos, wie EF₂, sichtbar sein.In a second time period ZB ₂ , where the echo of the opposite container wall could be seen in the presence of a liquid, there is no signal. If the tank level is above the level of the sensor with the piezoelectric element, the signal of the Rayleigh and transverse wave ET ₁ will drop below a threshold value SW or disappear completely ( 2 B ). If the liquid is a sound-transparent medium, the echo of the opposite container wall EF ₁ will immediately appear in the time range ZB ₂ . Other multiple echoes, such as EF ₂ , can also be visible here.

In der Praxis ist dieser Idealfall selten anzutreffen. Strömt die Flüssigkeit turbulent in den Behälter, ist sie meist mit Gasblasen oder Luftblasen beladen. Bei Windkesseln oder Behältern zur Beladung eines Gases mit Flüssigkeitskomponenten ist oft minutenlang kein Rückwandecho zu sehen. Damit ist die Füllstandsteuerung über das Rückwandecho nicht möglich.In practice, this ideal case is rarely found. If the liquid flows turbulently into the container, it is usually loaded with gas bubbles or air bubbles. In the case of wind boilers or containers for loading a gas with liquid components, mi is often no back echo seen for several minutes. This means that level control via the rear wall echo is not possible.

Auch relativ einfache Messprobleme, wie der maximale Füllstand von normalem Trinkwasser in einem Edelstahlbehälter kann problematisch sein, da kleine Gasblasen auf der Behälterwand jede Impuls-Echo-Messung scheitern lassen.Also relatively simple measurement problems like the maximum level of normal drinking water in a stainless steel container can be problematic there are small gas bubbles on the container wall make every pulse-echo measurement fail.

Ein geradezu klassisches Problem ist das Auftreten von Mikroblasen bei der Kavitation. Bei Pufferbehältern in Zirkulationskreisläufen führt das Unterschreiten eines Minimalstandes zu einem Notaus der Anlage. Das Wegbleiben des Rückwandechos führt gerade zu diesen Anlagenzustand. Mit der primären Auswertung des Zeitbereiches ZB₁ werden alle diese Fehlsteuerungen vermieden. Bei vielen praktischen Messproblemen wird das Tor 7, das den Zeitbereich ZB₂ überwacht, kein Echo EF₁, zum Zeitpunkt T₂ feststellen. Auf eine separate Darstellung diese Anwendungsfalles wurde verzichtet.A classic problem is the appearance of microbubbles during cavitation. In the case of buffer tanks in circulation circuits, falling below a minimum level leads to an emergency shutdown of the system. The absence of the back wall echo leads to this system state. With the primary evaluation of the time range ZB ₁ , all of these incorrect controls are avoided. With many practical measurement problems, the gate 7 , which monitors the time range ZB ₂ , no echo EF ₁ , determine at time T ₂ . A separate presentation of this use case has been omitted.

In 2c ist das Zeitdiagramm eines im Querschnitt vom Kreis abweichenden Behälters angegeben. Ist der Behälterfüllstand über dem Sensorniveau, kann das Rückwandecho EF₁ vor der 1. Rayleigh- und/oder Transversalwelle kommen.In 2c the time diagram of a container with a cross-section deviating from the circle is given. If the tank level is above the sensor level, the back wall echo EF _{1 can come} before the 1st Rayleigh and / or transverse wave.

3 zeigt den Querschnitt von solchen Behältern mit großem Rayleigh- und/oder Transversalwellenweg L₂ gegenüber kleinem Weg L₁ durch die Flüssigkeit vom piezoelektrischen Element 1. 3 shows the cross section of such containers with a large Rayleigh and / or transverse wave path L ₂ versus a small path L ₁ through the liquid from the piezoelectric element 1 ,

Um Störungen bei schalltransparenten Flüssigkeiten zu vermeiden, ist eine Abschätzung der Zeitbereiche leicht aus der Geometrie des Behälters, Umfang in Messniveauhöhe und Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit, möglich. Der Einfluss der unterschiedlichen Stahlsorten ist weniger gravierend, da die Geschwindigkeit der Rayleigh- und Transversalwelle meist zwischen 2.900 m/s und 3.300 m/s liegt.For disturbances in sound transparent liquids to avoid is an estimate the time ranges easily from the geometry of the container, scope at measurement level and speed of sound in the liquid. The influence of different Steel grades are less serious because the speed of the Rayleigh and transverse wave is usually between 2,900 m / s and 3,300 m / s.

Das erfindungsgemäße Anordnung ist auch bei von außen beschichteten Behältern, zum Beispiel mit aufgeklebter Wärmeisolation, anwendbar. Die Benetzung der Behälterwand mit der Flüssigkeit reicht für eine auswertbare Änderung der empfangenen Amplitude der umlaufenden Wellen aus.The arrangement according to the invention is also from Outside coated containers, for example with glued-on heat insulation, applicable. The wetting of the container wall with the liquid is enough for one evaluable change the received amplitude of the orbiting waves.

Claims

Arrangement for determining a liquid level in a container with an ultrasonic transducer, which is mounted on the container wall at the level to be determined and contains a piezoelectric element which, when excited with a pulse of a predetermined length and amplitude, generates an ultrasonic transmission pulse which is behind it Room monitored for the presence of a liquid, characterized in that the ultrasonic transducer contains a piezoelectric element that sends and receives Rayleigh and / or transverse waves.

Arrangement according to claim 1, characterized in that a Windows open the received Rayleigh and / or transverse waves the presence of a liquid reviewed.

Arrangement according to claim 1, characterized in that a Control unit entering the start and end of a time window, that of the path of the Rayleigh and / or transverse waves to be received in height the liquid to be observed depends allows.

Arrangement according to claim 1, characterized in that the Input unit for entering at least one time window for characterization the path length the Rayleigh - and / or Transversal waves is connected to a control unit.

Arrangement according to claim 1, characterized in that the receiver for the Rayleigh and / or transverse waves with a control unit an output unit for displaying the self-control of the arrangement connected is.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized characterized that a control unit for controlling time windows is connected to the piezoelectric element, which the in the container wall orbiting Rayleigh and / or transverse waves.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized characterized in that a readiness message is visually integrated in the converter housing is.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized characterized that all for pulse generation and pulse evaluation necessary circuit parts in the converter housing or in a control unit are integrated.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the circuit parts necessary for entering the container geometry in the converter housing or are integrated in a control unit.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized characterized that the pulse length and pulse amplitude individually or together analog or digital via one Data line from a remote control point are adjustable.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the received pulses via a data line to a remote Transfer control body become.